Fliegen mit Teamgeist

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Ihr Fehlen ist denn auch das größte Hindernis auf dem Weg zu künstlichen Schwärmen. "Es gibt eine Menge Hype um Schwarmsysteme und Selbstorganisation", poltert ETH-Professor Raffaello D'Andrea. "Aber nennen Sie mir nur eine erfolgreiche Anwendung, bei der Schwarmverhalten eine Rolle spielt. Es gibt keine." In seiner "flying machine arena" setzt der Informatik-Professor daher auch zentrale Steuersysteme ein – wo immer sie nötig sind. Die einzelnen Kopter sind nur zum Teil autonom: Auf einem zentralen PC laufen Programme, die das Verhalten jedes Mikrokopters zunächst im Computermodell simulieren. Damit das Ballspiel zwischen den Fliegern funktioniert, berechnet das Programm aus den Daten externer Kameras die Flugbahn des Balls und daraus das optimale Manöver des Kopters, um den Ball zu schlagen. Ein Controller auf der Hauptplatine der kleinen Flugmaschinen setzt diese Bahndaten in Steuerkommandos für die Antriebsmotoren um. Danach wiederholt sich das Spiel für den zweiten Mikrokopter.

"Ich bin nicht dogmatisch, was die Methode angeht – mir ist egal, ob es eine zentrale Kontrolle gibt oder ein dezentrales, selbst organisierendes System", sagt D'Andrea zwar. Um sich gleich darauf jedoch zu widersprechen: "Würden Sie mit einem Flugzeug fliegen wollen, dessen Steuerung irgendwie kollektiv entsteht und damit von Zufällen abhängig ist? Oder würden Sie ein Flugzeug wählen, dessen Dynamik gut verstanden ist und dessen Sicherheit mit mathematischen Methoden bewiesen wurde", fragt er rhetorisch. "In einem Punkt bin ich wirklich dogmatisch. Das System muss funktionieren. Und zwar verlässlich."

In der "flying machine arena" wird daher auch die Position der einzelnen Mikrokopter zentral ermittelt. Die Forscher greifen dazu auf ein "Motion Capture"-System mit acht Spezialkameras zurück. An jedem Kopter sind Marker in Form von walnussgroßen, silbernen Bällen befestigt. Erkennt die Bild- verarbeitung des Systems diese Bälle aus mindestens zwei verschiedenen Perspektiven, kann die Software auf dem Zentralrechner die Kopter in dem zehn Kubikmeter großen Luftraum der Arena identifizieren und millimetergenau orten – bis zu 200-mal pro Sekunde.

Die Geschwindigkeit und Präzision, mit der das gesamte System arbeitet, gehört zu den Erfolgsgeheimnissen von D'Andrea. Doch sie ist zugleich eine Achillesferse, denn sie beschränkt mögliche Anwendungen auf die kontrollierte Umgebung der Experimentierhalle. Im Freien würden die komplizierten Manöver nicht funktionieren, denn allein um den Luftraum der "flying machine arena" zu kontrollieren, sind acht Kameras nötig. Ein Aufwand, der im Freien nicht zu leisten ist – zumal dort auch die Lichtverhältnisse stark wechseln, was die Ortung schwieriger macht. Theoretisch könnte man die Position der Mikrokopter zwar per GPS orten, praktisch ist das aber zu langsam und mit einer Abweichung von mehreren Metern viel zu ungenau.

Möglicherweise hilft da die Idee eines Züricher Kollegen von D'Andrea: Davide Scaramuzza, Professor am Labor für künstliche Intelligenz der Universität Zürich, hat von 2009 bis 2011 das europäische Verbundprojekt sFly geleitet. Dessen Ziel: ein von GPS unabhängiges, schnelles und robustes Ortungssystem für autonome Mikrokopter.

Scaramuzza und seine Kollegen statteten ihre Fluggeräte mit industriellen USB-Kameras mit fester Brennweite aus. "Die haben einen großen Blickwinkel und eine gute Optik", erklärt er. "Allerdings ist das Bild ein bisschen verzerrt, sodass wir die Bilddaten von jeder einzelnen Kamera immer wieder kalibrieren müssen." Die autonomen Mikrokopter schicken ihre Bilder an einen Zentralrechner, der nach Ecken und Kanten in den Bildern sucht. Dann wechseln die Mikrokopter ihre Position in der Luft und schicken neue Bilder. Die Software versucht daraufhin, bereits bekannte Punkte in den neuen Bildern wiederzufinden und berechnet aus der veränderten Perspektive die Positionsänderung des Mikrokopters. Aus den gesammelten Bilddaten aller ausgeschwärmten Mikrokopter erstellt der Computer so nach einiger Zeit eine dreidimensionale Karte der Umgebung. Das funktioniert – anders als mit GPS – auch in Straßenschluchten, Tunneln oder in Gebäuden, und zwar mit einer erstaunlichen Genauigkeit: Bei fünf Metern Flughöhe lassen sich Positionen zentimetergenau orten. Das Verfahren namens SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) hat allerdings den Nachteil, dass die Mikrokopter unbekanntes Gelände zunächst erkunden müssen.

Das Zentralsystem schickt den Fliegern zwar die dreidimensionale Karte, aber steuern tun sie sich selbst, betont der Forscher: "Jeder Mikrokopter fliegt komplett autonom." Theoretisch könnte man auch die Bildauswertung direkt auf den Prozessoren der Mikrokopter laufen lassen. Doch obwohl die Rechenleistung der Kleincomputer, die für die Steuerung und Kommunikation der Mikrokopter verwendet werden, in den vergangenen Jahren enorm zugenommen hat, wäre die Auswertung auf den kleinen Fliegern viel zu langsam.

"Wir haben gezeigt, dass unsere Idee funktioniert", sagt Scaramuzza. Eine gewisse Struktur muss die Umgebung aber auch bei diesem System aufweisen. Über dem Wasser beispielsweise verliert das Navigationssystem die Orientierung. Auch stark wechselnde Lichtverhältnisse bringen das System aus dem Takt. Zudem sinkt die Genauigkeit, wenn die Mikrokopter aus Sicherheitsgründen höher fliegen müssen – in 100 Metern Höhe beträgt die Genauigkeit nur noch einen Meter. Waghalsige Schwarmmanöver, wie D'Andrea sie in seiner Arena zeigt, können Scaramuzzas Mikrokopter nicht fliegen. Denn die Ortung ist mit maximal 30 Bildern pro Sekunde viel zu langsam. "Wir bräuchten 300 Bilder pro Sekunde", bedauert der Forscher.

Für echte Rettungseinsätze – beispielsweise zur Ortung von Lawinenopfern – ist die Laufzeit der Batterien von maximal zwanzig Minuten zudem noch zu gering. Und mehr Batterien würden den Mikrokopter schwerer machen, erklärt Scaramuzza. Ob die faszinierende Idee eines US-Teams praktikabel ist, bleibt abzuwarten: Es hat bereits 2010 gezeigt, dass man den Akku eines Mikrokopters im Flug mit einem Laser und Solarzellen laden kann – um so mehr als 48 Stunden in der Luft zu bleiben.

Andreas Raptopoulos lässt sich von den derzeitigen Möglichkeiten nicht entmutigen. Für den Erfinder, Designer und Gründer des Unternehmens Matternet, ist die Technologie bereits jetzt reif für eine echte, revolutionäre Anwendung: den fliegenden Paketdienst.

"In den USA oder anderen westlichen Ländern denken viele Bewohner, Straßen sind allgegenwärtig", sagt Raptopoulos. "Tatsächlich sind aber weltweit mehr als eine Milliarde Menschen nicht ganzjährig an das Straßennetz angeschlossen." Was nicht nur bedeutet, dass sie keinen Zugang zur Verkehrsinfrastruktur haben. Auch Medikamente, Saatgut oder Ersatzteile kommen nicht durch.

Unbemannte, autonome Mikrokopter könnten diesen Menschen jedoch helfen, meint Raptopoulos. Das von ihm mitgegründete Unternehmen Matternet will die Erde mit einem dichten Netz von Basisstationen überziehen. Diese Stationen sind jeweils nicht mehr als zehn Kilometer voneinander entfernt und werden von Mikrokoptern angeflogen, die bis zu zwei Kilogramm Last transportieren können.

Wie die Datenpakete im Internet werden auch die Pakete im Matternet so von Knoten zu Knoten weitergereicht. Alles passiert vollautomatisch: Größere Lieferungen werden aufgeteilt. Software plant die Teilstrecken bis zum Zielort. An jedem Zwischenknoten wartet ein neuer Mikrokopter mit aufgeladenen Batterien – wie Postkutschen im 18. Jahrhundert. Ist eine Route wegen schlechten Wetters nicht passierbar, wird das Paket automatisch umgeleitet, bis die Ware schließlich an ihrem Bestimmungsort ankommt.